Werkstoffkunde II - Keramik | Karteikarten online lernen

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Werkstoffkunde II - Keramik (119 Karten)

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Hochleistungskeramiken haben welche definierten Eigenschaften?

mechanisch
thermisch
chemisch
elektronisch
biologisch

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In welchen Feldern werden Hochleitsungskeramiken hauptsächlich verwendet?

Energietechnik (Brennstoffzelle, Wärmetauscher)
Elektronik (Gehäuse, Kondensatoren, Sensoren...)
Medizintechnik (Hüftgelenksprothese, Knochenersatz...)
Verkehrstechnik (Kipphebelbeläge, Turbolader...)
Fertigungstechnik (Schneidwerkstoffe, Schleifstoffe)
Maschinenbau (Gleitlager, Piezostellglieder)

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Welche zwei Arten von Hochleistungskeramiken unterscheidet man und welche sind ihre besonderen Eigenschaften?

Strukturkeramiken:
Besondere mechanische Eigenschaften:

Härte
Steifigkeit
Zähigkeit
Festigkeit

Funktionskeramiken:
Besondere Eigenschaften:

thermisch
elektrisch
biologisch
chemisch

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Was sind keramische Verbundwerkstoffe?

Keramische Komponente werden mit

Metallen
Kunststoffen

kombiniert.

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Welche sind die drei keramischen Branchen und was sind ihre Hauptprodukte?

Traditionelle Silikatkeramik:
Geschirr, Fliesen, Sanitär, Ziegel, Zierkeramik...

Feuerfeste Werkstoffe:
Formsteine und Feuerbetone aus speziellen Werkstoffen, Anlagenkomponenten, Funktionselemente usw. für die Metallurgie, Glaserzeugung, Energietechnik, Müllverbrennung, Zementherstellung...

Hochleistungskeramik:
Für spezielle technische Anwendungen entwickelt.
-> Strukturkeramik (mechanisch/tribologisch hoch belastet)
-> Funktionskeramik (medizinisch, elektrisch, magnetisch...)

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Worüber unterscheidet man zwischen tradiotioneller und Hochleistungskeramik?

Art und Verarbeitung der Rohstoffe sind das ausschlaggebende Kriterium.

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Aus welchen Werkstoffen bestehen Hochleistungskeramiken?

Aus speziell entwickelten:

ausschließlich synthetisch (z.B. Nichtoxide)
sehr hoher Reinheitsgrad
feine Pulvergröße (< 10, oft < 1 Mikrometer)

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Auf welche Rohstoffen basieren Silikatkeramiken?

Natürlich Mineralien:

Quarz (SiO2)
Tonmineralien/Kaolin (Alumosilikate)
Feldspäte (Alkali-Alumosilikate)

mit allen Verunreinigungen.

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Welche Eigenschaften haben Alumosilikate und Alkali-Alumosilikate?

Alumosilikate: Nach Befeuchtung bildsam verformbar

Alkali-Alumosilikate: Herabsetzung der Glastemperatur

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Was ist Vorraussetzung für eine weiße Farbe der Keramik?

Ein geringer Eisenanteil.

Bsp.: Sanitär, Geschirr, Zierkeramik...

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Welche Unterscheidungen gibt es bezüglich der Korngröße?

Grobkeramik:
Körner sind mit bloßem Auge erkennbar.
Bsp.: Ziegel, Terrakotta

Feinkeramik:
Körner sind < 50 Mikrometer.
Bsp.: Porzellan, Steingut

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Woraus bestehen feuerfeste Erzeugnisse und welche Einsatzgebiete gibt es?

Feuerfeste Erzeugnisse bestehen teilweise aus natürlichen/synthetischen Rohstoffen und sind für chemische Angriffe bei hohen Temperaturen entwickelt worden.

Bsp.: Schlacken- & Gaskorrosion, Temperaturwechsel, Hochtemperaturfestigkeit

Sie sind meist sehr grobkörnig (> 100 Mikrometer)

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In welche Untergruppen gliedert sich die technische Keramik?

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Wie lautet die Definition der Keramik? (G)

Keramische Werkstoffe sind

anorganisch, nichtmetallisch,
in Wasser schwer löslich
und zu wenigstens 30 % kristallin.

In der Regel werden sie bei Raumtemperatur aus einer Rohmasse geformt und erhalten ihre typischen Werkstoffeigenschaften durch eine Temperaturbehandlung meist über 800°C.

Gelegentlich geschieht die Formgebung auch bei erhöhter Temperatur oder gar über den Schmelzfluss mit anschließender Kristallisation.

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Inwiefern grenzt sich Keramik von Salzen, Glas und mineralischen Baustoffen ab? (G)

Stoff	Abgrenzung
Salze (NaCl...)	Wasserlöslichkeit
Glas (<30% kristallin)	Kristallinität
mineralisch (Zement, Kalk, Gips)	Prozesstechnik

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Woraus bestehen Keramiken chemisch gesehen und wie stark/schwach ist ihre Bindung?

Keramiken sind Verbindungen aus:

Metallen
Nichtmetallen (Sauerstoff, Stickstoff, Bor)
Halbmetalle (Kohlenstoff, Silicium)

Die Bindungen sind sehr stark.

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Was folgt aus der starken chemischen Bindung innerhalb von Keramiken?

hoher Schmelzpunkt
chemische Beständigkeit
hoher E-Modul
hohe Härte

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Wie ist die chemische Bindung von Keramiken charakterisiert und in welchen Formen tritt sie auf?

Sie ist durck stark lokalisierte Elektronen charakterisiert.

Formen:

stabile Kationen/Anionen mit Edelgaskonfiguration
kovalente Orbitalbindungen
Mischbindungen
manchmal metallische Bindungen

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Wie sieht die Einteilung keramischer Werkstoffe nach chemischen Gesichtspunkten aus?

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Wie sieht der keramische Herstellungsprozess in einem Temperatur/Zeit-Diagramm aus?

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Wie lauten die Schritte des keramischen Herstellungsprozesses und was passiert jeweils?

1. Pulveraufbereitung - Formgebung:
Bei Raumtemperatur wird das Pulver aufbereitet und zum Grünkörper (kreideähnliche Vorform) geformt.

2. Brand/Sintern:
Erfolgt bei 70-80% der Schmelztemperatur.
Hier finden irreversible chemische Prozesse und Gefügeveränderungen statt. (mögliche Gefügedefekte)

3. Endbearbeitung:
Bsp.: Schleifen, Polieren
Erst danach ist das Bauteil fertig. (manchmal teuerster Schritt)

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Wie sieht der metallurgische Prozess in einem Temperatur/Zeit-Diagramm aus? Was unterscheidet ihn vom Keramischen?

Unterschied: Hochtemperaturphase zu Beginn.

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Wie sieht die Prozesskette von Silikatkeramik und Hochleistungskeramik im Überblick aus?

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Was bewirkt die Zerkleinerung während der Aufbereitung? (G)

Zerkleinerung bewirkt eine Erhöhung der Oberfläche.

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Welche drei Arten der Aufbereitung werden entsprechend des Feuchtegehalts unterschieden? In welchen Verarbeitungsverfahren werden sie meist eingesetzt? (G)

Nassaufbereitung:

Pulversuspensionen in meist alkoholischen Mitteln.
> 25% Flüssigkeit
Schlickerguss, Folienguss

Feuchtaufbereitung:

knetbare Massen, meist mit Additiven
5 - 25% Flüssigkeit
Strangpressen

Trockenaufbereitung:

rieselfähige Pulver-Granulate
< 5% Flüssigkeit
axiales und isostatisches Pressen

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Wie läuft die Feuchtaufbereitung genau ab?

Traditionelle Art der Aufbereitung tonkeramischer Massen (Tone, Kaoline).

Typische Kristallitgröße: wenige Mikrometer (keine weitere Zermahlung)

Allerdings fallen oft Dezimeter große Klumpen an, die im Kollergang mühlsteinähnlich zermahlen und im anschließenden Walzwerk zerdrückt werden.

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Wann wird eine Trockenaufbereitung durchgeführt?

Bergfeuchte der Tone unter 10-12%
Anteil an Quarz, Kalk, Feldspat sehr hoch
Zementindustrie
Feuerfestindustrie
Glasrecycling

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Wie läuft eine Trockenaufbereitung ab? 5 Schritte

Die Rohstoffe werden in einer kontinuierlich arbeitenden Mühle zerkleinert.

1. Zerkleinern
2. Trocknen
3. zu Korngrößen aufmahlen
4. Mischen
5. Korngrößenklassen trennen

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Wie sieht eine typische Walzenschüsselmühle aus?

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Für welches Verfahren wird die Nassaufbereitung genutzt und wie läuft sie ab?

Dient vor allem der Herstellung von Gießschlickern.

In Trommelmühlen wird das Mahlgut mit Wasser und Mahlkörpern kontinuierlich/diskontinuierlich zerkleinert (gestürzt).

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Welche Mahlkörper verwendet man bei der Pulverisierung von Keramik und Metallen?

Metall:

Kugeln/Zylinder aus...

Stahl
Hartguss
Hartmetalllegierungen

Keramik:

Mahlkörper aus...

Aluminiumoxid
Zirkonoxid
natürliche Quarzkiesel

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Nach welchem Prinzip arbeitet der Attritor und wie ist er aufgebaut?

Prinzip: Rührwerkskugelmühle (rotierender Rührarm)

Wird Nass betrieben (Umwälzung besser, Wärmeabfuhr)

Rotation: 100 - 1000 Umdrehungen pro Minute

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Was ist das besondere am autogenen Mahlen? Welche Apparate gibt es?

Beim autogenen Mahlen kommt das Pulver nur mit gleichartigem Material in Berührung (keine Mahlkörper!).

Strahlmühle: Hoher Druck gegen Prallwand/Pulverstrahl.

Jet/Gegenstrommühle: Kreuzende Teilchenstrahle.

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Wie läuft die Sprühtrocknung ab?

Nasse Suspensionen werden zu Granulaten aufbereitet.

Die Suspension wird zersprüht und durch Luft (300°C) getrocknet. Dabei gibt es zwei Verfahren:

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Was passiert bei der Formgebung allgemein?

Aus...

verflüssigtem Schlicker
plastifizierter Masse
Granulaten

wird ein Grünkörper mit definierter...

Größe
Form
Dichte

und reproduzierbaren Toleranzen gefertigt.

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Vervollständige die Liste mit den fünf typischen Formgebungsverfahren:

Verfahren

Maßtoleranzen in %

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Welche drei Arten der Formgebung gibt es?

Nassformgebung:
Feuchteghalt: > 25%
Schlicker in Formen gegossen oder auf Bändern zu Folie.

Feuchtformgebung:
Feuchteghalt: 5-25%
Knetbare Massen mittels Pressen/Spritzgießen (Spriztguss mit 40-60% Kunststoffen)

Trockenformgebung:
Feuchtegehalt: < 5%
Pulver-Granulate durch axiales/isostatisches Pressen geformt.

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Wie funktioniert der Schlickerguss und welche zwei Arten gibt es?

Eine Suspension (25-35% feucht) wird durch eine poröse, wassersaugende Form Wasser entzogen und so Scherben (feste Form) gebildet.

Hohlgussverfahren (Innenkontur der Form) [oben]
Kerngussverfahren (Form komplett gefüllt) [unten]

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Was sind Vor/Nachteile von Schlickerguss?

Vorteile:

Hohe Stückzahlen möglich
mittlere Präzision (wenig Nacharbeit)
geringe Werkzeugentwicklungskosten (1-5T€)

Nachteile:

Formen verschleißen schnell
schlechte Oberflächengüten,
langwieriger Rücktrocknungsprozess (bis 3 Tage)
sensible Prozesswasserführung

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Was wird durch Foliengießen hergestellt und wie läuft der Prozess ab? (G)

Herstellung großflächiger dünner keramischer Substrate (dicke von 25 Mikrometer bis 1,5 mm).

Mögliche Bauteile:

Kondensatoren
piezoelektrische Bauteile
Halbleiter
Wärmetauscher

Keramisches Pulver wird in organischen/wässrigen Lösungen mit Bindern, Verflüssigern und Plastifizierern dispergiert.
Auf ein Stahlband gegossen und getrocknet.

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Welche Elemente hat eine typische Foliengießanlage? (G)

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Welche Produkte werden mit dem Strangpressverfahren hergestellt?

Das Strangpressen (Extrudieren) produziert:

Ziegel
Fliesen
Rohre
Substrate
"Honeycomb"-Katalysatorträgerstrukturen

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Welche Elemente hat eine typische Strangpresse? (G)

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Was sind Vor/Nachteile vom Strangpressen?

Vorteile:

kontinuierliche Produktion möglich
fast vollständig automatisierbar

Nachteile:

Mundstücke und Schnecken verschleißen schnell
mittlere Oberflächengüten
mittlere Präzision (Nacharbeit erforderlich)
mittlere Werkzeugentwicklungskosten (20-50T€)
Verzug beim Trocknen und Brennen
nur recht einfache Geometrien möglich

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Wie werden die Massen für das Strangpressen plastifiziert und was ist bei ihrer Bearbeitung zu beachten?

Plastifizierung erfolgt...

bei ton/kaolinhaltigen Massen durch Wasser
bei oxidischen/nichtoxidischen Massen durch Bindersysteme

Die Extrusion führt zu Texturen in den Teilen.
Dabe ist zu beachten das S-förmige Makrotexturen meist zur Zerstörung der Bauteile führen.

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Wie läuft der Spritzguss von Keramik ab?

Keramische Pulver (40-60%) werden mit organischen Bindern/Plastifizierern (60-40%) gemischt.

Diese Masse wird abgeküht und granuliert.

Der eigentliche Spritzgussvorgang verläuft wie beim Kunststoff.

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Welche Formen lassen sich beim Spritzguss produzieren?
Was sind typische Bauteile?

Kleine Bauteile mit komplexen Geometrien mit geringer Wandstärke in großen Stückzahlen.

Beispiele:

Fadenführer
Wendeschneidplatten
Schweißdüsen
Turboladerrotoren

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Wie ist eine typische Spritzgießanlage aufgebaut?

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Welche Fehler entstehen häufig beim Spritzguss? (G)

Einfallstellen
Freistrahl
Texturen (eingeschlossene Poren)
Fließnähte

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Welche Arten von Entbindern, für den Spritzgießprozess, gibt es und wie funktionieren sie?

Entbindern bedeutet die Binder/Plastifizierer aus dem Grünkörper auszutreiben. (Wichtig für die Verarbeitung)

Thermisch:

Verdampfen, Oxidieren

Lösen:

in organischen Lösungsmitteln, in Wasser, in CO2 unter Hochdruck

Kapillar:

durch Heraussaugen des geschmolzenen Kunststoffs

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Welche sieben Optimierungsparameter gibt es beim Spritzguss?

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Was sind Vor/Nachteile vom Spritzguss?

Vorteile:

Hohe Stückzahlen (rentabel bei > 1 Mio/Jahr)
hohe Präzision, kaum Nacharbeit

Nachteile:

hohe Werkzeugentwicklungskosten (ca. 20 –60 T€)
lange Entwicklungszeiten (6-12 Monate)
schwieriger Entbinderungsprozess (bis zu 3 Wochen)

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Welche zwei Arten der Trockenformgebung gibt es?
Was sind ihre Eigenschaften?

Trockenformgebung bei 0-5% Wassergehalt.

Axiales Trockenpressen:

Stempelpressen
Druck 50-600 MPa
einfache Geometrien
keine Hinterschneidungen
gute Maßhaltigkeit

Isostatisches Trockenpressen:

Flexible Gummimatrizen
Druck bis 300 MPa
komplexe Formen
starker Verzug

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Wie sieht das axiale Trockenpressen zu Pressbeginn und Pressende aus?

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Wie sieht das isostatische Trockenpressen zu Pressbeginn und Pressende aus?

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Welche Vorgänge umfasst der Brand?

Der Brand umfasst alle Vorgänge zur Konsolidierung der pulverigen Formkörper.

Beispiel:

Ofenbau
Temperaturführung
Energieeintrag ins Gut
Stapelung der Formkörper
usw.

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Welche Vorgänge umfasst der Begriff Sintern?

Zum Sintern gehören alle physikalisch-chemischen Vorgänge in einem Formkörper. (Kinetik der Konsolidierung)

Beispiel:

Wärmebehandlung (unterhalb Schmelzpunkt)
Verringerung Porenvolumen durch Schwindung
Verfestigung durch Sinterhalsbildung/Korngrenzen

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Was wird alles gesintert?

Materialien mit hohem Schmelzpunkt
Kombination mit stark unterschiedlichen Schmelzpunkten
Material mit hohem Dampfdruck
Stoffe, die in der Schmelze entmischen
reinste Stoffe

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Was charakterisiert das Festphasensintern?

Alle Bestandteile sind fest und schmelzen nicht auf.

Die Verdichtung kommt durch...

Diffusion
Verdampfung
Kondensation

zustande.

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Wo liest man den Verdichtungsverlauf ab?
Wie wird der erstellt?

In der Sinterkurve.

Diese wird durch Messung der Längenänderung als Funktion der Temperatur und der isothermen Haltezeit bei Maximaltemperatur bestimmt.

Startpunkt der Sinterkurve ist der Grünkörperzustand.

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Wie sieht eine typische Sinterkurve aus und welche Stadien/Gebiete hat sie? (GGG)

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Was bedarf besonderer Sorgfalt beim Sintern?

Das Abkühlen wegen...

der Wärmedehnung (wirkt gegen Schwindung -> Spannungen).
eventuellen Phasenumwandlungen.

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Was sind die vier elementaren Sinterphänomene? (G)

Sinterhalsbildung (an Korn-Korn-Kontakten)
Kornwachstum (Grenzflächenenergie vernichtet)
Porenschwund (Verringerung Oberflächenenergie)
Porenwachstum (Verringerung Oberflächenenergie)

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Ordne die vier wichtigsten atomaren Transportmechanismen nach zunehmender Aktivierungsenergie. (G)

Verdampfung und Kondensation [1]
Oberflächendiffusion [2]
Korngrenzendiffusion [4]
Volumendiffusion (Gitterdifusion) [5]

1 -> 5: Zunehmende Aktivierungsenergie (höhere Temperatur)

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Trage die dominierenden atomaren Transportmechanismen in die Sinterkuve ein. (G)

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Welche vier Arten von Energie stehen für die atomaren Transportmechanismen zur Verfügung?

Chemische Energie
Elastische Energie (Verzerrungsenergie)
Oberflächenenergie
Grenzflächenergie

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Wie lautet die Gibbs-Thomson-Gleichung und was bedeutet sie in der Praxis? (GG)

Bedeutung: Es existiert eine Kraft um Unebenheiten auszugleichen.

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Was charakterisiert den Transportmechanismus Verdampfung und Kondensation?

Wirkt im Anfangsstadium des Sinterns.

Körner sind konvexe Oberflächen, Sinterhälse sind konkave.
Die Sinterhälse wachsen auf Kosten der Körner radial.

Es kommt zur Verschlankung und Kettenbildung.

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Was gilt für das Kornwachstum nach dem Prinzip der Verdampfung und Kondensation?

Es entstehen entweder kugelige Teilchen (Minimierung der Oberflächenenergie durch geringste Fläche).

Oder es bilden sich facettierte Kristalle (Minimierung der Oberflächenenergie durch niedrigenergetischste Kristallfläche).

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Wie lautet die Gibbs-Thomson-Gleichung für Spannungen?

: spezifische Oerflächenergie

: Atomvolumen, Leerstellenvolumen

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Inwiefern gleichen sich Gesetzmäßigkeiten und Triebkraft der Transportmechanismen "Verdampfung und Kondensation", "Oberflächendiffusion" und "Korngrenzendiffusion"?

Es gelten die gleichen Gesetzmäßigkeiten.

Die Triebkräfte sind unterschiedlich:

Mechanismus	Triebkraft
Verdampfung und Kondensation	Dampfdruckunterschied
Oberflächendiffusion	Oberflächenspannung
Korngrenzendiffusion	Grenzflächenspannung

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Was passiert bei der Korngrenzendiffusion?

Korngrenzen "wandern" in Richtung ihrer Krümmungsradien.

Tatsächlich aber diffundieren Atome in die Gegenrichtung.

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Was passiert bei der Korngrenzendiffusion wenn Oberflächen und Grenzflächen kombiniert werden?

Es kommt zum Einbau von Leerstellen. (Situation des Sinterhalses)

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Welche Arten von Porosität gibt es?

geschlossene (Porenraum ohne Verbindung nach außen)
offene (Porenraum der durchströmbar ist)

Beim Sintern nimmt der Anteil geschlossener Porosität zu (bei steigender Temperatur).

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Was charakterisiert die Volumendiffusion?

Effektivster Mechanismus des Materialtransports.

Wird genutzt um Schwindung herbeizuführen.

Partikel	Diffusionsgeschwindigkeit
Ionen	sehr schnell
Kationen & Anionen	unterschiedlich (nur gemeinsam!)
Sauerstoff	am langsamsten

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Wie verläuft das Kornwachstum und was entsteht dabei? (G)

Pulverkörner -> Punktkontakte -> Korngrenzen mit Sinterhälsen -> geschlossen Porosität -> 12 Nachbarn -> Kuboktaeder (14 Flächen)

6 Würfelflächen + 8 Oktaederflächen = 14 (Tetrakaidekaeder)

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Welchen Einfluss hat die Temperatur auf das Keramikgefüge? (G)

Hohe Temperatur -> Keramikgefüge vergröbert.

Auch

-Gesetz genannt.

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Wie verändert sich die Sinterkurve (Sinterschwindung) in Abhängigkeit der Grünkörperdichte? (G)

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Inwiefern unterscheiden sich die keramische Werkstoffe strukturell von Metallen?

Keramische Werkstoffe sind von höherer struktureller Komplexität (große Elementarzellen, niedrige Symmetrien).

Keramik: Fließspannung > Bruchspannung
Metall: Fließspannung < Bruchspannung

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Was verhindert die plastische Verformung von Keramik? (G)

Es verhindern:

hohe Bindungsstärken
lokalisierte Elektronen (Ionen, Orbitale)
große Verschiebungsdistanzen (Burgers-Vektoren)
niedrige Kristallsymmetrien (geringe Anzahl Gleitrichtungen (von-Mises-Kriterium)

die plastische Verformung

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Wo liegt die typische Bruchdehnung von Keramik?

Bei 0,1 - 0,4 %.

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Wie sieht ein Spannungs/Dehnungs-Diagramm von Metall & Keramik aus?

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Wie hängen Elastizitätsmodul und Porenanteil des Gefüges zusammen? (G)

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Wie lautet die Gleichung der kritischen Griffith-Energie?

Die Griffith-Energie wird kritisch (Index c) wenn es zum Bruch kommt.

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Wann setzt Rissfortschritt ein?

Wenn die elastisch eingespeicherte Energie größer als die Bruchenergie ist.

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Wo wird Bruchenergie freigesetzt und wie lautet die Gleichung der elastischen Energie? (G)

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Wie sieht die Energiebilanz bei Risswachstum aus? (G)

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Was besagt die Spannungssingularität? (G)

An scharfen Kerben mit Rissspitzenradius 0 müssen unendlich hohe Spannungen auftreten.

In das umliegende Gefüge klingt diese mit

ab.

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Wie lautet die Definition des Spannungsintensitätsfaktor?

: allgemeine Länge

: allgemeine Spannung

Übertragungsfaktor einer äußeren (Last) Spannung auf ein Volumenelement der Ausdehnung a.

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Wie lautet die Griffith-Gleichung (Irwin-Beziehung)? (GGG)

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Welche drei Bruchmodi gibt es? (G)

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Wie lautet die Griffith-Gleichung für den uniaxialen Zugzustand? (G)

Die Griffith-Gleichung für den Bruchmodus I liefert:

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Wie verhalten sich Druckfestigkeit und Zugfestigkeit zueinander?

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Wann läuft ein Riss katastrophal ab?

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Was kann man über die Eigenschaften von Keramik im Bezug auf das Bruchverhalten sagen?

Keramik ist formstabil bis zum Bruch
Wenn Keramik bricht, dann meist katastrophal
Es gibt keine „duktile“ oder „duktilisierte“ Keramik
Keramik ist immer spröde

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Ordne die typischen Gefügefehler nach Häufigkeit und Defektgröße. (G)

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Wie wirken die Rissspitzenradien auf die Spannung? (GG)

Es kann zur Spannungserhöhung kommen umso schärfer die Spitze ist.

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Wie lassen sich Kerbspannungen vermeiden? (G)

Nie scharfe Konturübergänge schaffen
Kerbwirkung vermeiden

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Wie lauten die 5 Grundannahmen der Bruchstatistik?

Die Bruchfestigkeit (spröder Festkörper) ist statistisch verteilt (Gefügeinhomogenitäten).
Körper verhält sich bis zum Bruch linear elastisch.
Der Bruch geht von Oberflächen-oder Volumenfehlern aus.
Versagensrelevant sind ausschließlich Zugspannungen.
Die Festigkeit ist durch die schwächste Stelle bestimmt.

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Was ist die Theorie hinter der Weibull-Statistik?

„Modell des schwächsten Gliedes“

Prinzip: Kette
Gesamte Kette versagt, wenn das schwächste Glied bricht.
Es gibt keine Wechselwirkung der Glieder (Defekte) untereinander.

Das Bauteil wird in kleine Volumenelemente zerlegt. Versagenswahrscheinlichkeit des Gesamtkörpers ist bestimmt durch Versagenswahrscheinlichkeit jedes einzelnen Volumenelementes.

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Wie lautet die Weibull-Gleichung?

F gibt an mit welcher Wahrscheinlichkeit [%] ein Teil versagt.

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Was sind die 6 Schritte der Weibull-Statistik?

1. Bruchspannungen (Biege/Zugversuch) bestimmen. (Probe 1-n)

2. Bruchwahrscheinlichkeiten zuordnen (Festigkeitswerte nach Größe ordnen)

3. Weibull-Gleichung zweimal logarithmieren

4. Erstellen des doppelt logarithmischen „Weibull-Diagramms“

5. Graphische Ermittlung der Weibull-Parameter

6. Entlogarithmierung

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Wie bestimmt man graphisch den Weibull-Parameter? (GG)

Aus dem doppeltlogarithmischen Diagramm.

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Was sagt der Weibull-Parameter m aus?

m = Maß für die „Zuverlässigkeit“ eines Bauteils

großes m : Streuung der Festigkeitswerte klein
kleines m : Streuung der Festigkeitswerte groß

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Über welche Formel erlaubt die Weibull-Statistik Extrapolationen auf Bauteile mit anderen Volumina? Was ist die Aussage dahinter? (G)

Größere Bauteile haben geringere Festigkeiten: Wahrscheinlichkeit für kritische Fehler größer.

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Durch welche Methoden kann man das Risiko für ein Versagen eines ausgelieferten Teils minimieren? (G)

Proof-Test: Spannung anlegen und versagende aussortieren.
Werkstoffoptimierung: Materialverhalten enger gestalten
Zerstörungsfreie Prüfung: Ultraschallmikroskopie usw.

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Über welche Mittel kann man die Gefügefehler beherrschen?

Verwendung hochreiner Pulver (99,9..... %)
Verwendung extrem feiner Pulver (< 10 μm)
Sorgfältige Aufbereitung (« 1 μm)
Sorgfältige Formgebung
Kontrolle des Sinterprozesses:
Sorgfältige Endbearbeitung

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Zu welcher Veränderung führt eine Beherrschung der Gefügefehler? (GG)

Große Defekte treten nicht mehr auf.
Wahrscheinlichkeit für sehr kleine Defekte steigt.

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Worauf zielen Verstärkungsmechanismen ab und welche Strategien gibt es?

Alle Verstärkungsmechanismen zielen darauf ab, die Bruchenergie eines Werkstoffes durch entsprechende Gefügeoptimierung zu erhöhen.

Strategien:

Bruchfläche erhöhen
Riss ablenken
Riss stoppen
Rissflanken zusammenhalten
Zugspannungen abbauen
Druckspannungen aufbauen

Die meisten führen zu einem mehrphasigen Gefüge, also Dispersionskeramiken bzw. Verbundwerkstoffe.

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Wie kann man beispielsweise die Zugpspannung in einem Gefüge minimieren? (G)

Indem man mehr Poren einbaut.
Ausgehend von einem atomar scharfen Riss wird die Spannung um einige Zehnerpotenzen erniedrigt wenn er auf eine Pore trifft.

Wichtig: Der E-Modul sinkt! Außerdem darf der Porendurchmesser nicht die kritische Länge erreichen!

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Wie funktioniert die Partikelverstärkung/Rissfrontbiegung?

Energie verbrauchender Schritt: Aufbau einer Gegenspannung (Linienspannung) in Gegenrichtung zur Rissausbreitung.

Voraussetzung: Riss bleibt an der Teilchenkette
hängen (baucht sich bei weiterer Lasterhöhung nur zwischen den Partikeln aus).

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Was muss man bei der Verstärkung mit duktilen Teilchen beachten?

R-Kurven-Effekt.
Es kommt zu lokal unterschiedlichen Bruchwiderständen (

).

Teilchen werden zunächst vom Riss umgangen. Anschließend elastisch, später plastisch verformt, bevor sie reißen.

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Wie kann man R-Kurven mit unterschiedlichen Belastungen hinsichtlich Bruch oder plastischen Veränderungen auswerten?

: unkritisch, immer unter R-Kurve.

: Rissfortschritt von

bis

: oberhalb R-Kurve, katastrophaler Bruch.

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Was sind Prinzip und Idee der Rissablenkung?

Prinzip:
Aufbau innerer Spannungen durch Teilchen mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizient.

Idee:
Herstellung eines Verbundwerkstoffes

Nutzung der Wärmeschwindung beim Abkühlen von Sintertemperatur.

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Worauf beruht die Rissablenkung grundsätzlich?

Der Riss trifft auf ein Hindernis, wird gestoppt und anschließend um einen bestimmten Winkel abgelenkt.

Dabei verringert sich die Spannung automatisch um: